張漢橋

（黑龍江省龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司峻德煤礦，黑龍江 鶴崗 154101）

峻德煤礦近距離煤層下分層222 工作面回采巷道內(nèi)錯(cuò)布置時(shí)兩條順槽表現(xiàn)出截然不同的礦壓顯現(xiàn)狀況，回風(fēng)順槽壓力明顯高于運(yùn)輸順槽，巷道維護(hù)難度很大，嚴(yán)重拖慢掘進(jìn)速度，需要滯后維修，須對近距離煤層高應(yīng)力巷道頂板控制技術(shù)進(jìn)行研究[1-3]。

1 工程概況

220 工作面回風(fēng)順槽4-2和3-2煤層間距平均為1.2 m，沿煤層傾斜方向逐漸增大，到運(yùn)輸順槽附近層間距達(dá)1.6～13.5 m，平均為10.5 m。220 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間出現(xiàn)全斷面圍巖變形，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后能夠勉強(qiáng)使用，當(dāng)工作面回采至約800 m 時(shí)，222 運(yùn)輸順槽壓力顯現(xiàn)十分劇烈，圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重的斷面收縮，無法滿足正常生產(chǎn)需要，工作面停產(chǎn)封閉。

現(xiàn)礦井正在掘進(jìn)222 工作面回采巷道，222 工作面位于4-2煤層，相對于上分層2301 采空區(qū)采用內(nèi)錯(cuò)式布置，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)距均為20 m。4-2煤平均埋深為590 m，厚度約為10.4 m，上部3-2煤層厚度平均為4.18 m，4-2煤與3-2煤層間距0～30 m，平均10.5 m，巖性以粉砂巖為主。

222 回風(fēng)順槽和222 運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)相同，頂板和兩幫錨桿桿體為22#左旋無縱筋500 號螺紋鋼筋，長度2.4 m，加長錨固，托板下采用W 形鋼護(hù)板作為護(hù)表構(gòu)件。采用Φ6.5 mm 鋼筋編織的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂、8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。錨桿排距900 mm，預(yù)緊扭矩不低于400 N·m。頂錨索為Φ21.8 mm，1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼紋線，長度為6.3 m，樹脂加長錨固，每排2 根，排距為1800 mm，鎖緊預(yù)緊力要求達(dá)到250 kN。

兩條順槽生產(chǎn)地質(zhì)條件基本相同，但掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)截然不同。222 運(yùn)輸順槽基本沒有明顯的壓力顯現(xiàn)，巷道成形很好，頂板和兩幫變形量均在100 mm 以內(nèi)。222 回風(fēng)順槽掘進(jìn)壓力很大，煤炮聲頻繁，圍巖掘進(jìn)后還未待進(jìn)行支護(hù)即出現(xiàn)頂煤垮落，巷道成形很差，對支護(hù)也造成很大影響。頂板垮落形態(tài)如圖1。巷道掘進(jìn)完成一段時(shí)間后，部分區(qū)域頂板出現(xiàn)下沉和網(wǎng)兜現(xiàn)象，需要進(jìn)行挑頂；兩幫穩(wěn)定性較好，無明顯的變形破壞。

由于頂板難以有效維護(hù)，222 回風(fēng)順槽掘巷速度非常慢，掘進(jìn)每日進(jìn)尺在3 m 以內(nèi)，已掘地段頂板變形后，需要停掘進(jìn)行維修，整體成巷效率很低。

2 巷道頂板破壞原因分析

2.1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大

222 回風(fēng)順槽靠近3-2和4-2煤層分叉線，且巷道掘進(jìn)要穿過草灘向斜軸部區(qū)域，破壞最嚴(yán)重的區(qū)域與軸部位置相吻合。根據(jù)前期220 灌漿巷進(jìn)行的地應(yīng)力測試結(jié)果，測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為22.63 MPa，屬于高應(yīng)力值區(qū)域，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹21.8°E，與222 回風(fēng)順槽走向夾角13°。高構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境造成煤體隨著開挖暴露而發(fā)生卸荷破壞，尤其是頂板的破壞相對幫部強(qiáng)烈很多，而222運(yùn)輸順槽遠(yuǎn)離煤層分叉區(qū)域和向斜構(gòu)造，沒有明顯的壓力顯現(xiàn)，也能夠說明水平構(gòu)造應(yīng)力在巷道破壞過程中起主要的源動(dòng)力作用。

2.2 錨桿（索）支護(hù)剛度不足

根據(jù)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，錨桿扭矩設(shè)計(jì)為不低于400 N·m，錨索張拉預(yù)緊力不低于250 kN，但從現(xiàn)場測試來看，錨桿（索）預(yù)緊力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。分析原因?yàn)榫蜻M(jìn)工作面風(fēng)壓不足，無法使用扭矩放大設(shè)備，錨桿機(jī)預(yù)緊完后只能采用人工進(jìn)行二次緊固，錨桿預(yù)緊后形成的桿體預(yù)緊力多數(shù)在40 kN，只有桿體屈服極限的10%～20%；錨索現(xiàn)場采用手動(dòng)泵張拉初始預(yù)緊力只有20～60 kN，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

錨桿、錨索受力變化趨勢基本相同，初始預(yù)緊力很低，支護(hù)剛度不足，頂板錨桿安裝后受力大幅增加，安裝3 d 后達(dá)到峰值，最大受力幾乎達(dá)到錨桿屈服極限，之后受力開始逐漸下降。錨桿、錨索受力從低到高增加的過程中，必然伴隨著頂板的擴(kuò)容變形，頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜，并有一定下沉現(xiàn)象。

3 巷道頂板控制措施

3.1 超前大直徑鉆孔卸壓

針對222 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面構(gòu)造應(yīng)力集中并強(qiáng)烈顯現(xiàn)的情況，采用大直徑鉆孔對迎頭前方進(jìn)行超前卸壓，以改善巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境。卸壓鉆孔直徑150 mm，在迎頭施工5 個(gè)大直徑鉆孔，分2排布置，下排3 個(gè)、上排2 個(gè)，孔深40 m。當(dāng)掘進(jìn)迎頭至卸壓孔底部距離小于20 m 時(shí)，按照下排2 個(gè)、上排3 個(gè)的布置方式補(bǔ)打下一輪鉆孔，如此循環(huán)，始終保證掘進(jìn)迎頭前方20 m 處于卸壓范圍，如圖2。

圖2 卸壓鉆孔布置剖面圖（m）

迎頭卸壓施工完，進(jìn)行鉆屑法監(jiān)測后，如左幫存在煤粉偏高等情況時(shí)，可將左側(cè)鉆孔沿走向方位向左側(cè)偏移一定角度，兼顧幫部區(qū)域的超前卸壓。

3.2 頂板全錨索支護(hù)

高應(yīng)力巷道頂板控制的有效途徑是實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索的高預(yù)應(yīng)力及其有效擴(kuò)散，充分發(fā)揮強(qiáng)力錨桿、錨索主動(dòng)支護(hù)作用，構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)力承載結(jié)構(gòu)，以抵抗高應(yīng)力重新分布和釋放過程中的頂板荷載。錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力大小對壓應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的形成起決定作用，而現(xiàn)場施工風(fēng)壓不足，錨桿預(yù)緊的問題很難解決，所以考慮采用頂板全錨索的方案來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力承載結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，如圖3。

圖3 頂板強(qiáng)力承載結(jié)構(gòu)示意圖

采用長短錨索結(jié)合的頂板全錨索支護(hù)方案，將頂板支護(hù)的錨桿更換為3 m 短錨索，將原有手動(dòng)張拉設(shè)備更換為電動(dòng)液壓張拉設(shè)備。

短錨索形式和規(guī)格：錨索為Φ21.8 mm、1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度3.0 m，采用1支MSK2360 和1 支MSZ2360 樹脂錨固劑錨固，錨固長度1494 mm，初始張拉預(yù)緊力不低于200 kN。

長錨索形式和規(guī)格：錨索Φ21.8 mm、1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度6.3 m，采用1支MSK2360 和2 支MSZ2360 樹脂錨固劑錨固，錨固長度2242 mm，初始張拉預(yù)緊力不低于250 kN。

托板：短錨索和長錨索均采用300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板及配套鎖具，錨索托板高度不低于60 mm，厚度不小于16 mm。

網(wǎng)片規(guī)格：將頂板鋼筋網(wǎng)變更為8#鐵絲編織而成的菱形金屬網(wǎng)，若出現(xiàn)嚴(yán)重垮頂或頂板壓力較大時(shí)，則更換為雙層菱形金屬網(wǎng)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用與驗(yàn)證

（1）掘進(jìn)速度提高。原支護(hù)下由于掘進(jìn)后頂板即發(fā)生垮冒，施工人員必須等待垮冒結(jié)束、頂板穩(wěn)定后才能到工作面進(jìn)行支護(hù)，而且頂板成形狀況很差，鋪設(shè)金屬網(wǎng)和打設(shè)錨桿效率很低，日掘進(jìn)速度只有3 m 左右。實(shí)施超前卸壓孔等措施后，頂板垮冒現(xiàn)象得到有效控制，垮冒持續(xù)時(shí)間和高度都大大降低，巷道成形狀況也得到改善，日掘進(jìn)速度提高到10 m 以上。

（2）巷道變形破壞狀況大幅降低。根據(jù)日常巷道圍巖位移監(jiān)測，掘進(jìn)期間頂板未再出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，變形量控制效果顯著。

（3）在222 回風(fēng)順槽1600 m 處安設(shè)錨索測力計(jì)，用來監(jiān)測全錨索支護(hù)方案頂板錨索受力，共安設(shè)6 個(gè)測力計(jì)，其中短錨索4 個(gè)、長錨索2 個(gè)，監(jiān)測時(shí)間為掘進(jìn)后1 個(gè)月。使用全錨索支護(hù)方案后，錨索初始預(yù)緊力多數(shù)能夠達(dá)到150～200 kN，錨索安裝后1 個(gè)月內(nèi)受力值有小幅波動(dòng)，總體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，錨索支護(hù)作用得到良好發(fā)揮。

5 結(jié)論

222 工作面在掘進(jìn)前采用大直徑鉆孔對迎頭前方進(jìn)行超前卸壓，改善巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境；通過頂板全錨索支護(hù)構(gòu)建強(qiáng)力承載結(jié)構(gòu)，抵抗高應(yīng)力重新分布和釋放過程中的頂板荷載。現(xiàn)場驗(yàn)證表明，采用超前卸壓孔+頂板全錨索支護(hù)方案能夠取得良好的頂板控制效果，能夠有效提高掘進(jìn)速度，頂板變形量較小，錨索受力狀態(tài)較好。